ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ  ОЦЕНКА  ТОЧНОСТИ  АМПЛИТУДНЫХ  МАЛОГАБАРИТНЫХ  РАДИОПЕЛЕНГАТОРОВ  САНТИМЕТРОВОГО  ДИАПАЗОНА  С  РУПОРНО-ПАРАБОЛИЧЕСКИМИ  И  СПИРАЛЬНЫМИ  АНТЕННАМИ

Мещеряков  Александр  Алексеевич

старший  научный  сотрудник  НИИ  РТС  ТУСУР,  г.  Томск

Аникин  Алексей  Сергеевич

аспирант  кафедры  РТС  ТУСУР,  г.  Томск

Цугланов  Василий  Валерьевич

аспирант  кафедры  РТС  ТУСУР,  г.  Томск

Е-mail:  rbk@sibmail.com

В  радиолокационных  системах  применяются  амплитудные  пеленгаторы,  в  которых  пеленг  на  источник  радиоизлучения  (ИРИ)  определяется  по  отношению  уровней  сигналов  в  приёмных  каналах  [1].  Точность  оценки  пеленга  зависит  от  множества  факторов,  и,  прежде  всего,  от  направленности  антенн  [4].  В  условиях  пересечённой  местности  диаграммы  направленности  значительно  отличаются  от  расчётных  или  измеренных  в  безэховых  камерах.  Поэтому  в  данной  работе  используется  понятие  «кажущейся»  диаграммы  направленности.

Целью  сообщения  является  экспериментальная  оценка  точности  малогабаритных  пеленгаторов  с  вращающимися  приёмными  антеннами  различной  направленности  в  условиях  распространения  радиоволн  над  пересечённой  местностью.

Оценка  точности  амплитудных  пеленгаторов  проводилась  по  результатам  испытаний  на  реальных  трассах.

Характеристика  измерительных  трасс.  Эксперимент  проводился  на  местности,  представляющей  собой  слегка  волнистую,  в  разной  степени  расчлененную  равнину  с  абсолютными  отметками  высоты  над  уровнем  моря  65…160  м  и  покрытой  частично  лесом  высотой  20-25  м.

  Для  исследования  использовались  три  трассы  примерно  одинаковой  протяженностью,  около  17  км.  Расположение  трасс  на  местности  показано  на  рисунке  Рисунок  1,  полученному  с  помощью  программы  «SAS  Planet»  [5]  и  данным  топопривязки  измерительных  пунктов.  Как  видно  из  рисунка,  трассы  расходились  под  небольшим  углом  от  приёмного  пункта.  Передающие  позиции,  расстояние  между  которыми  было  не  более  300  м,  располагались  в  поле,  поросшем  луговой  травой,  высотой  до  полуметра  и  имеющем  неровности  до  1,5-2  м.

 Рисунок 1.  Расположение  экспериментальных  трасс  и  передающих  позиций

                              а                                                                б 

Трассы  распространения  радиоволн  были  полуоткрытыми  (передающие  позиции  №1,2,  рисунок  1б)  и  закрытой  (передающая  позиция  №3,  рисунок  1б)  трассами.  Закрытие  на  трассах  было  вызвано  наличием  леса.  Для  каждой  трассы  построены  профили  трасс  с  помощью  программы  «Карта  2011»  [3]  и  представлены  на  рисунках  2-4.  На  профилях  отображена  прямая  линия,  соединяющая  передатчик  и  пеленгатор. 

Рисунок  2.  Профиль  трассы  №1

Рисунок  3.  Профиль  трассы  №2

Рисунок  4.  Профиль  трассы  №3

Аппаратура.  Пеленгатор  был  выполнен  на  базе  измерительного  комплекса  [2]  и  состоял  из  антенной  системы,  многоканального  радиоприёмного  устройства,  аппаратуры  регистрации  и  управления.  Антенная  система  имела  две  рупорно-параболические  антенны,  рассчитанные  на  прием  сигналов  линейной  поляризации  с  наклоном  45  град  и  две  плоские  спиральные  антенны  с  эллиптической  поляризацией.  Радиоприёмное  устройство  содержало  четыре  приёмных  канала  с  квадратурными  выходами  принимаемых  сигналов.  Аппаратура  регистрации  содержала  два  четырехканальных  8-разрядных  АЦП  и  ЭВМ.  Работа  приёмного  и  передающего  пункта  была  синхронизирована  специальной  системой  синхронизации,  что  позволяло  регистрировать  принимаемые  сигналы  при  малом  уровне  без  пропусков.

Схемы  используемых  приёмных  антенных  систем  представлены  на  рисунках  5  и  6.  В  горизонтальной  плоскости  рупорно-параболические  антенны  1  и  2  были  разнесены  друг  относительно  друга  в  пространстве  на  L₁  =  690  мм  и  по  азимуту  на  α  =  36  градусов.  Для  антенной  системы  со  спиральными  антеннами  3  и  4  соответствующие  величины  составили  L₁  =  200  мм  и  α  =  45  градусов.  Антенные  системы  были  закреплены  на  одной  платформе,  которая  устанавливалась  на  поворотное  устройство.  Внешний  вид  антенн  в  сборе  приведен  на  рисунке  7.  Антенные  системы  располагались  на  высоте  не  более  4,4-х  метров  над  поверхностью  земли.

В  качестве  источника  излучения  использовался  радиопередатчик  магнетронного  типа  импульсной  мощностью  100  кВт,  длительностью  импульса  300  нс  и  антенной  с  шириной  3⁰.

Рисунок  5.  Схема  антенной  системы  с  рупорно-параболическими  антеннами  (β  =  -  60⁰,  γ  =  170⁰)

Рисунок 6.  Антенная  система  со  спиральными  антеннами  (β  =  -  60⁰,  γ  =  170⁰)

Рисунок  7.  Внешний  вид  антенной  системы  пеленгатора  (1  –  рупорно-параболические  антенны,  2  –  спиральные  антенны)

Методика  измерения.  Целью  измерений  была  запись  сигналов  при  отворотах  антенны  пеленгатора,  для  чего  выполнялись  следующие  действия:

1.  Антенна  передатчика  ориентировалась  на  приёмник.

2.  Устанавливалась  вертикальная  поляризация  излучения  антенны  передатчика.

3.    Антенная  система  приёмника  отворачивалась  на  угол  β,  которая  являлась  начальным  положением  антенн  при  измерениях.

4.  В  начальном  положении  измерялся  уровень  принимаемых  сигналов  с  выходов  приёмных  каналов  U₁(β)  и  U₂(β)  соответствующих  антенн.  Затем  антенная  система  совершала  по  β  поворот  с  шагом  Δγ  =  0,05  градуса  до  угла  β+γ,  при  каждом  угловом  положении  регистрировались  уровни  сигналов  во  всех  приемных  каналах.

5.  Описанные  выше  действия  выполнялись  для  горизонтальной  поляризации  излучения.

6.  Аналогичные  действия  выполнялись  при  регистрации  сигналов  с  выходов  спиральных  антенн.

При  измерениях  проводилась  калибровка  аппаратуры,  после  чего  погрешность  регистрации  уровней  сигналов  составляла  не  более  0,5  дБ.  Энергетический  потенциал  измерительной  установки  обеспечивал  отношение  сигнал/шум  более  50  дБ,  поэтому  шумы  приёмника  не  сказывались  при  приёме  слабых  сигналов  в  минимумах  диаграмм  направленностей.  Пример  зарегистрированного  сигнала  приведен  на  рисунке  8. 

Рисунок  8.  Реализация  зарегистрированного  импульса  в  одном  из  приемных  каналов

Методика  обработки.  Обработка  полученного  материала  заключалась  в  следующем. 

1.  Вычислялась  оценка  амплитуды  импульса  как  среднее  значение  первых  15-ти  отсчетов  от  начала  вершины  импульса. 

2.  По  полученным  оценкам  амплитуд  импульсов  формировалась  «кажущаяся»  диаграмма  направленности  антенн  пеленгатора.

3.  Оценка  пеленгационной  характеристики  выполнялась  по  «кажущимся»  пеленгационным  характеристикам  (ПХ),  которые  вычислялись  как  разность  уровней  сигналов  «кажущихся»  диаграмм  направленностей  в  соответствие  с  формулой:

f(θ)  =  20∙lg(U₁(θ))  –  20∙lg(U₂(θ)),                                                       (1)

где  U₁  и  U₂  –  нормированные  к  максимуму  уровни  сигналов  на  выходах  приемников  соответствующей  пары  антенн  для  некоторого  угла  отворота  θ.  Максимум  уровня  сигнала  выбирался  среди  значений  U₁(θ)  и  U₂(θ),  за  полный  поворот  антенной  системы.  ПХ  имела  квазилинейный  участок,  который  характеризовался  монотонностью  функции  f(θ)  относительно  точки  f(θ)  =  0.  Квазилинейный  участок  ПХ  аппроксимировался  методом  наименьших  квадратов  прямой  y(θ)  =  a∙θ  +  b.

4.  Оценки  пеленга  на  ИРИ  вычислялись  из  уравнения  y(θ)  =  0,  что  равносильно  пересечению  аппроксимирующей  прямой  абсциссы,  по  формуле  θ^/  =  –  b/а.

Погрешность  пеленга  Δθ  вычислялась  как  отклонение  оценки  пеленга  θ^/  от  истинного  значения  θ₀  =  0⁰  по  формуле  Δθ  =  θ^/  -  θ₀                                                 (2)

Знак  ошибки  указывал  на  смещение  оценки  пеленга  ИРИ  относительно  истинного  значения  влево  (отрицательный)  или  вправо  (положительный).

Результаты  обработки  зарегистрированных  материалов.  Примеры  «кажущихся»  диаграмм  направленности  для  антенной  системы  с  рупорно-параболическими  и  спиральными  антеннами,  при  излучении  сигнала  вертикальной  поляризации  показаны  на  рисунках  9  и  10  соответственно.

Рисунок  9.  «Кажущиеся»  диаграммы  направленности  антенной  системы  с  рупорно-параболическими  антеннами,  трасса  №3

Рисунок  10.  «Кажущиеся»  диаграммы  направленности  антенной  системы  со  спиральными  антеннами,  трасса  №3

Примеры  «кажущихся»  ПХ,  вычисленных  по  формуле  (1),  для  антенной  системы  с  рупорно-параболическими  и  спиральными  антеннами  показаны  на  рисунках  11  и  12  соответственно.

Рисунок  11.  «Кажущаяся»  ПХ  антенной  системы  с  рупорно-параболическими  антеннами,  трасса  №3

Рисунок  12.  «Кажущаяся»  диаграмма  направленности  антенной  системы  со  спиральными  антеннами,  трасса  №3

Ошибки  пеленгования,  вычисленные  по  формуле  (2),  для  антенной  системы  с  рупорно-параболическими  и  спиральными  антеннами  приведены  в  таблицах  1  и  2  соответственно.

Таблица  1.  Ошибки  пеленгования  амплитудным  пеленгатором

Как  видно  из  представленных  материалов,  на  трассах  с  пересечённой  местностью  наблюдаются  искажения  диаграмм  направленности  антенн,  имеющие  интерференционный  характер,  что  особенно  заметно  для  спиральных  антенн.  Следствием  искажений  диаграмм  направленности  являются  ошибки  пеленгования.

Были  получены  оценки  пеленга  на  источник  для  вертикальной  и  горизонтальной  поляризации  излучения.  Так  как  обычно  отсутствуют  априорные  сведения  о  поляризации  излучаемого  сигнала,  то  оценки  пеленга  для  различных  поляризаций  излучения  усреднялись.  Поскольку  трассы  являлись  примерно  одинаковыми,  то  усреднение  было  проведено  для  всех  трасс.  Оказалось,  что  для  пеленгатора  на  рупорно-параболических  антеннах  смещение  пеленга    составило  минус  5,14  градуса  при  СКО  3,5  градуса,  а  смещение  пеленга    для  пеленгатора  на  спиральных  антеннах  составили  минус  8,48  градусов  при  СКО  11,34  градуса.  Эти  оценки  указывают  на  лучшую  точность  пеленгатора  с  более  крупными  по  размеру  антенными  элементами.  Однако  следует  иметь  в  виду,  что  при  этом  увеличивается  время  обзора  требуемого  сектора  пеленгования.

Преимущественное  смещение  оценок  пеленга  влево  от  истинного  направления  на  ИРИ,  по-видимому,  вызвано  наличием  препятствия  в  виде  кромки  леса  на  пути  распространения  радиоволн.

Точность  пеленгаторов  можно  характеризовать  полной  ошибкой,  которую  можно  вычислить  по  формуле  .  Полная  ошибка  пеленгатора  на  рупорно-параболических  антеннах  составляет  6,21  градуса,  а  для  пеленгатора  на  спиральных  антеннах  она  равна  14,15  градусов. 

Выводы. 

1     Полученные  результаты  проверки  точности  малогабаритных  пеленгаторов  показывают,  что  ошибки  пеленгования  в  наибольшей  степени  зависят  от  ширины  диаграмм  направленности  используемых  антенных  элементов.  Пространственное  разнесение  антенных  элементов,  необходимое  по  конструктивным  соображениям,  ведет  к  декорреляции  отсчетов  амплитуды  сигналов  различных  приемных  каналов,  однако  этот  эффект  оказывается  незначительным  во  вкладе  в  ошибку  пеленгования  по  сравнению  с  влиянием  интерференционных  искажений  «кажущихся»  диаграмм  широконаправленных  спиральных  антенн.

2     Явное  преимущество  по  точности  имеет  радиопеленгатор  с  рупорно-параболическими  антеннами,  поскольку  полная  ошибка  пеленгования  с  помощью  этого  пеленгатора  составила  около  6  градусов  в  сравнении  с  14  градусами  пеленгатора  со  спиральными  антеннами. 

Список  литературы:

1.Денисов  В.П.  Радиотехнические  системы  /  В.П.  Денисов,  Б.П.  Дудко.  Томск  :  Изд-во  Томск.  гос.  ун-та  систем  упр.  и  радиоэлектроники,  2006.  –  253  c.

2.Измерительный  комплекс  для  исследования  пространственно–временных  искажений  радиосигналов  трехсантиметрового  диапазона  на  наземных  трассах  /  М.Е.  Ровкин,  М.В.  Крутиков,  А.А.  Мещеряков,  М.В.  Осипов,  В.А.  Зайцев,  Е.Ю.  Бутырин  //  Известия  вузов  России.  Радиоэлектроника.  –  2006.  –  №6.  –  С.  7–11.

3.Карта  2011:  универсальная  геоинформационная  система  создания  и  редактирования  электронных  карт  и  выполнения  различных  измерений  и  расчетов.  [электронный  ресурс]  –  Режим  доступа.  -  URL:  www.gisinfo.ru/(дата  обращения:  12.07.2011). 

4.Леонов  А.И  Моноимпульсная  радиолокация  /  А.И.  Леонов,  К.И.  Фомичев.  М.  :  Советское  радио,  1970.  –  392  c.

5.SAS.Планета:  программа  для  просмотра  и  загрузки  спутниковых  снимков  высокого  разрешения  и  обычных  карт.  [электронный  ресурс]  –  Режим  доступа.  -  URL:  http://sasgis.ru/(дата  обращения:  15.07.2011).